Optimierte Reinigungskette für die Plasmabeschichtung von Werkzeugen

Die einzelnen Verfahren

Als Weiterentwicklung des State of the Art in der Produktion wurde für das wässrige Reinigungsverfahren ein zweistufiges Reinigungskonzept so gewählt, dass der größtmögliche Effekt mit der kleinstmöglichen Einsatzmenge erreicht wird. Die intelligente Wirkstoffkombination hält die pH-Werte der eingesetzten wässrigen Reiniger in einem moderaten neutralen Bereich und lässt sich biologisch abbauen. Das Arbeiten mit dem auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigten CO₂-Schneestrahl ermöglicht die effiziente und schonende Entfernung partikulärer und filmischer Verunreinigungen wie u. a. Staub, Rückstände von Polierpasten, Öle oder Schneidemulsionen. Dieses Verfahren kann automatisiert und lokalisiert für die Reinigung schwer zu erreichender Geometriebereiche eingesetzt werden.

Beim Plasmaelektrolytischen Polieren (PEP) wird das zu behandelnde Bauteil in einem Elektrolyt aus nichttoxischen Salzen und Wasser durch Anlegen einer Spannung von einigen 100 V gereinigt und poliert. Neben sehr guten Reinigungs­ergebnissen werden Grate und Verunreinigungen im gleichen Prozessschritt entfernt. Außerdem lassen sich die Schneidkantenradien der Werkzeuge gezielt einstellen.

Für den letzten Schritt der Vorbehandlung wird die Substratoberfläche unter Vakuumbedingungen mittels plasmachemischer und plasmaphysikalischer Prozesse von jeglichen chemischen Verbindungen von der Mikro- bis zur Nanometer-Skala befreit und chemisch aktiviert. Vor allem für die Anbindung bzw. Haftung nachfolgend aufgetragener Schichten spielt dies eine wesentliche Rolle. Ausschlaggebend für eine effektive Reinigung sind dabei die vorherrschenden Plasmabedingungen, die in weiten Bereichen durch Variation der Pulsgeometrie, Beschleunigungsspannungen und Plasma­leistung modifiziert werden können (vgl. Abbildung oben).

Vergleich der einzelnen Reinigungsverfahren

In der Entwicklung der Verfahrenskette wurden verschiedene Einzelverfahrenskombinationen an künstlich verschmutzten Zerspanwerkzeugen appliziert. Um eine bestmögliche Vergleichbarkeit herzustellen, wurde dazu eine synthetische Referenzverschmutzung aus Ölen, Fetten, Partikeln und Suspensionen der relevanten Fertigungskette entwickelt. Vor der Evaluierung wurden die Werkzeuge bezüglich Schneidkantenradien und Oberflächenrauheit sowie die Schichthaftung qualifiziert. Die maximale Standzeit der Werkzeuge wurde dann in einer Zerspanungsuntersuchung bestimmt.

Eine Bewertung der Ergebnisse zeigt den direkten Einfluss der Einzelverfahren in der jeweiligen Kette:

• Jegliche Reinigungsketten ohne Plasmafeinreinigung zeigten eine deutlich geringere Schichthaftung und Standzeit als Chargen mit integrierter Plasmafeinreinigung.
• Die optimierte wässrige Reinigung hat in der Verkettung keinen weiteren Einfluss, ist als Einzelverfahren aber mindestens so gut wie die Referenz.
• CO₂-Strahlen besitzt den technologischen Vorteil der lokal fokussierten Reinigungsmöglichkeit.
• Beim PEP können neben der Entfernung starker Verschmutzungen auch Schneidkantenradien eingestellt werden.
• Die Verkettung von PEP mit CO₂-Strahlen zeigt insgesamt die höchste Relevanz bezüglich der industriellen Nutzbarkeit. Die Reihenfolge zeigt dabei keinen signifikanten Einfluss.